基于實時渲染技術的室內家居設計研究

摘要：長期以來，家居消費需求存在一定的定性，雖然受到不穩定因素影響，但是消費者對定制家具、家居設計的消費需求從未消失。家居消費主體的轉變帶來消費觀念的改變，線上與線下融合的消費方式成為時代主流，成為家居產業的一個重要發展趨勢。新冠肺炎疫情迫使人們長期居家辦公，進一步加速了家居產業的變革與升級，短視頻、直播成為新型線上消費方式，全途徑的營銷方式成為企業發展的必然選擇。與此同時，智能化、信息化、萬物互聯的新型商業模式，成為家居產業新的發展方向。渲染技術進一步發展，實時渲染技術趨于成熟，根據現階段家具產品與室內裝飾在展示上存在的展示方式單一、展示效果不真實等問題，提出實時渲染技術與室內家居設計結合，探尋室內家居設計的發展方向。文章通過分析現階段家具產品和室內裝飾的展示方式，指出室內家居設計在展示方面存在的問題，分析實時渲染技術的優勢，以虛幻引擎（UE5，Unreal Engine 5）Lumen技術為例，結合具體家居設計案例分析，得出實時渲染技術能夠彌補家居展示設計不足這一結論。實時渲染技術可以為家居展示設計提供更加便捷高效、展示效果更加出色的實現途徑，提高設計效率，優化展示效果，為室內家居設計行業提供技術參考。

關鍵詞：實時渲染；UE5；Lumen；室內家居設計

0 引言

隨著科學技術的發展，數字化、信息化技術邁上新臺階，人們對生活品質的要求提高，家居產品的消費模式發生變化。無論是生活家具還是辦公家具，皆由傳統的企業引導發展到現在以消費者引導的“個性化定制”模式［1-2］。5G被譽為“數字經濟新引擎”，既是人工智能、物聯網、云計算、區塊鏈、視頻社交等新技術新產業的基礎，又將為“中國制造2025”和“工業4.0”提供關鍵支撐。有了信息技術和數字化技術的支撐，游戲行業的實時渲染技術能夠滿足家居設計展示方面的需求，室內家居設計行業與實時渲染技術的深入結合，將給設計全流程帶來質的提升［3］。

1 現階段室內家居設計展示方式

近年來，新的設計軟件層出不窮，概念設計師的設計方法也逐漸豐富［4］，更多的展示方式應運而生。家具產品和室內裝飾較單一的手繪效果圖展示方式發生變化，在繼續深化運用手繪效果圖的基礎上，增加了電腦軟件制作效果圖，比如渲染技術。

渲染（Rendering）是指在特定角度下的二維圖像生成的三維場景數據，是產品制作的最后一步［5］。通俗來講，渲染就是將制作的模型經過紋理、綁定、動畫、燈光等程序，然后通過模擬計算燈光遇到障礙物的運動變化，比如折射、反射、漫射等，得到模型和動畫的最終顯示效果。渲染已被廣泛應用在計算機仿真、電影或電視特效、游戲場景等領域。在家具產品和室內裝飾展示中，渲染技術也被用來展示家具產品和室內裝飾的外觀、材質、尺寸等，而產品的個性化定制源于數字化設計軟件的開發［6］。

1.1 3Ds Max軟件的展示方式

3Ds Max軟件是當前家具產品與室內裝飾設計領域中應用最廣泛的設計繪圖軟件之一［7］，可以通過內置的渲染器和第三方插件來創建高質量的渲染效果圖。盡管3Ds Max是一款功能強大的三維計算機圖形軟件，具有強大的渲染功能，但也存在如下不足。

（1）需要較高的計算機配置：渲染高質量的效果圖需要較高的計算機配置、充足的內存和硬盤空間等，所投入的成本較大。

（2）學習曲線陡峭：由于3Ds Max擁有多種渲染器和豐富的渲染功能，學習曲線較陡峭，因此需要用戶花費較多時間和精力進行學習。

（3）價格較高：3Ds Max是一款商業軟件，價格較高，對一些個人用戶來說可能不太實惠。

（4）渲染時間較長：渲染高質量的效果圖需要較長時間，不適用一些時間緊迫的項目，可能影響工作進度。在家具產品和室內裝飾展示中，需要不斷修改才能使客戶滿意，每修改一次就需要花很長一段時間進行渲染。為優化家具產品和室內裝飾展示效果，渲染視角多樣，這樣渲染出圖的時間又有所增加。

1.2 三維家、酷家樂等設計平臺的展示方式

三維家是國內一款比較知名的家居設計軟件，它提供了多種設計完成的家居方案和家具產品案例，消費者可以根據自己的需求和喜好直接選擇設計風格和家居產品，快速創建家居設計效果圖。酷家樂是另一款國內知名的家居設計軟件，它提供了多種設計工具和效果展示功能，包括平面布局設計、三維空間布局、光影效果調整等，用戶可以通過酷家樂創建出逼真的室內設計效果圖。這兩款軟件都有易于操作、功能強大、效果逼真的特點，受到眾多家居、室內、家具等行業從業者的青睞，成為這些行業重要的設計工具。三維家和酷家樂的家具產品和室內裝飾展示方式主要是局部效果圖、實時漫游圖和全景效果圖。

1.3 現階段家居設計展示方式的不足

目前，主流家居設計軟件包括3Ds Max、杭州群核信息技術有限公司的酷家樂、廣州市圓方計算機軟件工程有限公司的圓方以及廣東三維家信息科技有限公司的三維家等，這些軟件的主要區別在于設計效果呈現方式和渲染方式不同。這些設計軟件都能滿足國內高速發展的家裝市場的需求，輕量化、上手難度低、速度快等特點使它們在家具設計和室內裝飾展示方面占有一席之地。但無論是三維家還是酷家樂，在家居設計展示上都未能做到完全實時展示，實時渲染的核心技術理念是“所見即所得”［8］，需要通過渲染出圖的方式來體現家居場景效果，渲染所需的時間具有變動性，渲染效果也不盡如人意。

2 室內家居設計展示方式的發展趨勢

室內家居設計展示目前存在的問題，主要體現在展示方式單一、用戶體驗較差等方面。但隨著新技術的發展和軟硬件的不斷升級，實時渲染技術不僅局限于游戲運用，家居設計展示也可利用實時渲染技術，以彌補展示、互動等方面的不足。應用實時渲染技術，能夠縮短虛擬與現實之間的距離，幫助客戶更好地認識家居場景，改造家居場景，將萬物互聯的海量信息通過家居三維可視化展示設計進行展示與管理，同時匯集各種信息，盡可能最大限度還原客戶所想，解決客戶所慮。實時渲染技術在建筑、交通、醫療等領域的科學研究和實際應用已取得較大的成功，帶動了多學科的進步，相信實時渲染技術能在家具設計、室內裝飾設計領域繼續大放異彩。

2.1 實時渲染技術概述

早期的實時渲染技術主要在3D游戲中使用，當玩家以第一人稱的身份進入游戲場景時，他就開始在3D場景中漫游，游戲中的動態景象就是用實時渲染技術創建的“視頻圖像”，這個“視頻圖像”是由實時渲染引擎，一幀一幀渲染出來的，或者說是一幀一幀畫出來的，前一幀圖像的構成會影響到后一幀圖像，所謂“渲染”實質上就是快速、實時地繪制一幅2D圖像。結合實時渲染的工作過程，其需要“實時地”把場景中3D模型的三維數據轉化為2D的圖像數據。3D模型的數據是由構成模型的無數個三角形頂點所確定的，必須根據3D空間坐標，把這些頂點投影到2D平面上，才能構成一幅2D圖像。將3D模型數據轉換成2D圖像數據必須足夠快，只有這樣才能看起來像連貫的視頻。

2.2 實時渲染引擎介紹

Unreal Engine 5（UE5）是一款由Epic Games開發的游戲引擎。隨著圖形處理器的升級迭代，顯卡已經集成實時光線追蹤功能，使實時光線追蹤技術成為現實［9］。目前，UE5推出的Lumen全局光照和反射系統已攻克技術壁壘，推向市場使用。UE5因新技術升級，成為一款功能強大的實時渲染引擎，使開發人員能夠更輕松地創建高質量的作品和交互應用程序，與室內家居設計的實時渲染需求更加貼合。

2.3 UE5 Lumen技術的主要功能

Lumen是UE5的一個全局光照和反射系統，旨在提供更真實和高效的場景渲染，為游戲開發者帶來更具創意性的燈光設計。Lumen的主要功能如下。

（1）實時全局光照：Lumen能夠在實時交互中產生全局光照，即使在復雜的場景中也可以實現高質量的渲染。這種全局光照不需要預烘焙或預計算，可以隨時編輯和修改。

（2）實時全局反射：Lumen支持實時全局反射，可以在場景中產生準確的反射效果，包括鏡面反射和漫反射。反射可以自適應場景中的動態對象和光源。

（3）靜態和動態對象的光照：Lumen可以處理靜態和動態對象的光照，包括從光源和反射中獲得的光照。這樣可以實現更加真實的場景渲染。

3 結合具體家居設計案例分析Lumen的優勢

3.1 Lumen和RTX實時渲染全局光照陰影細節對比

為具化Lumen功能的強大，將Lumen實時全局光照與目前較為成熟的RTX（NVIDIA于2018年推出RTX實時光線追蹤技術）實時全局光照進行對比。圖1為Lumen實時渲染和RTX實時渲染全局對比，圖2為Lumen實時渲染和RTX實時渲染全局光照細節對比。

對比發現，開啟Lumen實時渲染后畫面的FPS值為60～120，而開啟RTX實時渲染后畫面的FPS值為10～20。

FPS是指畫面每秒傳輸幀數，通俗來講就是指動畫或視頻的畫面數。每秒鐘幀數越多，所顯示的動作就會越流暢，Lumen的實時渲染畫面更加真實流暢，全局光照表現及陰影細節更加柔和真實，方便實時修改編輯，不會感覺到屏幕的閃爍、不連貫，不會對畫面效果和視覺感知產生不良影響。在陰影細節表現中，Lumen技術為場景中的物體模擬柔和的光照效果，這意味著可以根據光源的大小遠近或光源角度，實現不同的展示效果。物體陰影部分在靠近接觸面時會變得比較尖銳，在離接觸面越遠的位置就會變得越柔和［10］。

3.2 Lumen實時全局反射和屏幕空間反射對比

Lumen實時全局反射更是區別于較為優秀的屏幕空間反射（Screen space reflection，簡稱“SSR”）。SSR是UE4唯一默認生效的反射系統，它是實時計算的，但只計算屏幕空間的反射，采集屏幕空間內的數據。在實時全局反射方面，同光照和陰影一樣，實時全局反射在實時渲染中是很難計算的。在Lumen的實時全局反射中，能夠模擬準確的環境表現，并且可支持多次反射，并借助多次反彈，可以讓場景中的各個反射表面之間形成實時的相互反射效果［11］，這一點在某些擁有明亮反射材質的場景中非常重要，比如室內場景。圖3與圖4為屏幕空間反射和Lumen實時全局反射對比。

相比之下，SSR表現出來的反射效果比較單一，無法動態捕獲整個場景，僅能進行一次反射反彈，并且僅限于屏幕上的可見內容。與之不同的是，Lumen實時全局反射能夠多次反彈，并且不會局限于屏幕上的可見內容，這意味著人們可以看到室內各個場景的反射效果，以及通過窗戶反射到表面上的額外燈光。Lumen實時全局反射在室內場景中的表現效果更加優秀突出。

4 結語

Lumen為Unreal Engine 5帶來了全新的光照和反射系統，可以實現更加真實和高效的場景渲染，為開發者提供更具創意的燈光設計和制作工具，有效解決了目前室內家居設計在展示方面存在的問題。針對設計展示方式單一、多次無效溝通的問題，Lumen技術可以輸出各種效果圖及視頻，并且可以讓客戶一邊體驗真實的室內場景效果，一邊實時修改，實時輸出修改后的效果。設計師的設計概念及客戶的真實需求可以最大限度地體現在室內場景中，大大提升了雙方的溝通效率。實時渲染技術可以幫助設計師和客戶快速預覽家居設計方案，并且可以在設計過程中進行修改和更改。UE5 Lumen技術為家具設計和室內裝飾設計提供了更多的靈活性和可視性，提高了設計效率和客戶滿意度。

參考文獻：

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［11］ 沈忠杰.基于UE4的建筑可視化漫游應用研究［D］.桂林：桂林電子科技大學，2021.

作者簡介：蔣敘（1996—），男，江蘇揚州人，碩士在讀，研究方向：家具設計與工程。

吳智慧（1963—），男，江蘇揚中人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：家具設計與工程。

中圖分類號：TU238；TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）19-00-04

基金項目：本論文為2018年度“十三五”國家重點研發計劃課題“木質家居產品柔性制造技術”成果，項目編號：2018YFD0600304；2021年度教育部產學合作協同育人項目“智能制造背景下家具設計與工程專業轉型升級思路探索與實踐”成果，項目編號：202101148002